功耗受限情况下多核处理器能效优化技术

摘要

现代处理器上提供了多种功耗调节机制，使用这些技术可以在运行时根据需要调节处理器功耗以适应不同的应用场合和需求。功耗封顶技术是其中一项重要的应用。控制部件功耗可以限制温度，提升稳定性。在数据中心，控制集群的峰值功耗可以减少电力过度供给的情况，降低不必要的基础设施投入。而且可以在不修改现有基础设施的情况下增加计算节点，保证安全性的同时提高集群性能。
　　随着处理器核数的增加和运行负载的愈加复杂，功耗封顶技术面临复杂度高，实用性差等问题。大量的优化策略依赖于离线训练，制约了优化效果和可移植性。本文提出多层次功耗控制及优化策略PPCM(Practical Power Capping Method)，通过动态调整模型参数的反馈控制机制，保证功耗控制的稳定性和鲁棒性。PPCM依据计算访存比指标在应用间分配功耗，依据访存开销指标在线程间分配功耗。将功耗优先分配给对功耗需求高的处理器核从而提高处理器能效。
　　本文主要研究内容和工作成果:
　　(1)研究了处理器上三种功耗调节技术对处理器的调节效果，包括Dynamic Voltage and Frequency Scaling, Idle Cycle Injection, Clock CycleModulation三种技术。首先分析了这三种技术对处理器功耗、性能以及任务完成总能耗的影响，然后将三种技术进行对比，分析他们的异同点，讨论他们各自的适用场景。
　　(2)设计可动态调整模型参数的反馈控制机制。在研究处理器功耗和频率关系的基础上，建立关于频率的线性模型以估计功耗，使用P-控制理论控制处理器功耗。处理器功耗和负载有关，功耗模型中的比例参数随着负载不同而不同，也随着硬件的不同而不同。本文设计动态调整比例参数的方法实现更好的功耗控制。
　　(3)设计并实现了一个多层次的功耗分配策略。功耗分配策略分为两层:应用间功耗分配和线程间功耗分配。在应用间以计算访存比为分配指标，在线程间以访存开销为指标，同时考虑到频率对访存开销的影响导致的误差扩大，将访存开销统一化到相同的频率之后再进行功耗分配。
　　实验表明，本文提出的功耗控制方法PPCM可以有效地控制处理器功耗，使得实际功耗与预算功耗平均误差为0.4％。与Priority算法相比，PPCM算法平均性能提高10.7％，能耗平均下降5.1％，EDP平均降低14.3％。与目前优秀的PCMCA算法相比较，PPCM平均性能提高4.5％，EDP平均提高5.0％。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 多核处理器发展

1．1．2 处理器功耗瓶颈

1．1．3 处理器功耗组成介绍

1．1．4 ACPI技术介绍

1．2 功耗优化需求

1．3 论文的研究目标和主要工作

1．4 论文结构

第2章 相关工作

2．1 功耗调节技术介绍

2．1．1 DVFS调节技术

2．1．2 ICI调节技术

2．1．3 CCM调节技术

2．2 功耗封顶技术应用领域

2．2．1 数据中心功耗封顶技术

2．2．2 集群功耗封顶技术

2．2．3 节点功耗控制

2．3 功耗控制方法

2．3．1 启发式功耗控制算法

2．3．2 基于模型的控制方法

2．4 其他能效优化方法

2．5 本章小结

第3章 功耗调节技术分析

3．1 实验环境

3．2 DVFS技术分析

3．2．1 DVFS实现

3．2．2 DVFS调节效果分析

3．3 ICI技术实现及分析

3．3．1 ICI实现

3．3．2 ICI调节效果分析

3．4 CCM实现及分析

3．4．1 CCM实现

3．4．2 CCM调节效果分析

3．5 功耗调节技术分析对比

3．6 本章小结

第4章 功耗受限情况下能效优化技术

4．1 需求分析

4．2 PPCM算法设计思想

4．3 全局功耗控制机制

4．3．1 处理器功耗模型

4．3．2 基于反馈的功耗调节机制

4．4 两层功耗分配策略

4．4．1 应用间功耗分配

4．4．2 应用内线程间功耗分配

4．5 本章小结

第5章 实验评估

5．1 实验方法设计

5．1．1 实验环境和测试程序

5．1．2 评价指标

5．1．3 实验方法

5．2 实验结果分析

5．2．1 功耗控制效果分析

5．2．2 动态调整模型参数效果

5．2．3 能效对比

5．3 本章小结

第6章 全文总结

6．1 研究工作和成果

6．2 主要创新

6．3 未来工作和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

在读期间参与的科研项目